CAPITULO 8: DISEÑO EMPIRICO-MECANISTICO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS 8.1 Introducción De acuerdo con Huang (1993), los métodos de diseño de pavimentos se clasifican en 05 categorías: métodos empíricos con o sin ensayos de resistencia de suelos, método de falla cortante límite, método de deflexión límite, método de regresión basado en el comportamiento de pavimentos o ensayos en pistas de prueba y métodos empíricos mecanísticos. Un buen ejemplo del uso de ecuaciones de regresión para el diseño de pavimentos corresponde a la Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos, principal documento utilizado por las agencias de transportes en los EE.UU. para el diseño y rehabilitación de pavimentos de carreteras. Las Administración Federal de Carreteras, FHWA de los EE.UU. indica que el 80% de las agencias utilizaban la versión de 1972, 1986 ó 1993 de la Guía de Diseño de Pavimentos de la AASHTO. Todas las versiones mencionadas fueron basadas en la ecuación resultante del comportamiento de la pista de pruebas de la AASHO en la década de 1950. Entre las limitaciones encontradas se han listado las siguientes: a. La pista de pruebas no consideró tramos, ni procedimientos de rehabilitación de pavimentos y fueron realizados en un solo lugar, existiendo problemas para predecir el comportamiento bajo condiciones ambientales diferentes. b. La pista de prueba consideró un solo tipo de subsuelo y utilizó bases granulares no estabilizadas. Actualmente se ha demostrado la importancia de utilizar diferentes tipos de bases tratadas o reforzadas en subsuelos de baja capacidad de soporte. c. El peso y geometría de los vehículos, las presiones de las llantas y el volumen de tráfico se han incrementado sustancialmente en las últimas cuatro décadas. d. El diseño se evaluó en función del espesor del paquete que conformaban las distintas capas del pavimento. Actualmente, la aplicación de la teoría elástica permite que el diseño se evalúe y se determine la influencia de cada una de las distintas capas o elementos estructurales que componen el pavimento. Aunque las ecuaciones de regresión pueden ilustrar los efectos de varios factores que influyen en el comportamiento del pavimento, el uso en el diseño de estructuras de pavimentos es limitado debido a que envuelve muchas incertidumbres. El método empírico mecanístico se basa en la aplicación de la mecánica estructural, que permite determinar la respuesta de los elementos estructurales que compone el pavimento, S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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tales como esfuerzos, deformaciones y deslocamientos, debido a las cargas aplicadas por las ruedas, utilizando por cierto, los fundamentos y el modelamiento que permite la teoría elástica. Los valores de la respuesta son utilizados para predecir el daño basado en ensayos de laboratorio y datos del comportamiento en campo. La dependencia existente de la metodología, respecto al comportamiento, es necesaria debido a que la teoría sola, no provee lo suficiente para un diseño confiable. La metodología empírica mecanística AASHTO 2002, por lo tanto, ya no utiliza una ecuación de regresión para el diseño, sino recomienda la aplicación de la teoría elástica, modelando el medio mediante múltiples capas horizontales, homogéneas, con comportamiento elástico en el caso de la sub-rasante y bases granulares y comportamiento viscoelástico en el caso de los materiales asfálticos. La aplicación del análisis deformacional en el diseño de pavimentos flexibles tiene el objetivo de controlar las deformaciones en la estructura de pavimentos, incluyendo el terreno de fundación. La magnitud de las deformaciones que se presenta en la estructura de pavimentos debido a las cargas móviles está asociada a la duración del pavimento. El análisis deformacional constituye en la actualidad una herramienta de análisis que permite considerar: a. El tipo de superficie de rodadura y/o carpeta asfáltica través del módulo dinámico. El parámetro del modelo considera las variaciones horarias y estacionarias y la velocidad del tránsito, en función de la categoría de la vía (pendiente, geometría, etc.). b. El tipo de base y sub-base granular, bases y sub-bases estabilizadas asfálticas y/o tratadas con cemento. Permite también determinar de manera directa el espesor del material estabilizado necesario para el diseño. c. La estratigrafía del terreno de fundación, la capa compactada y los estratos del terreno natural, así como la presencia de basamento rocoso. d. La distribución de los esfuerzos verticales de compresión en la sub-rasante y el terreno de fundación. e. La distribución de esfuerzos horizontales y esfuerzos de tracción en las capas superficiales del pavimento. Esto permite evitar que la superficie de rodadura o carpeta asfáltica sea sometida a esfuerzos de tracción que genere el agrietamiento prematuro. El análisis deformacional se realiza a través de programas de cómputo que permiten la solución del problema elástico como el Kenlayer del Dr. Huang, 1993 de la Universidad de Kentucky, EE.UU. Programas del INPACO de Colombia, implementado en la década pasada, es también conocido en nuestro medio. Los programas utilizan la técnica numérica de las diferencias finitas o elementos finitos para la solución de las ecuaciones diferenciales del problema elástico y del modelamiento elástico de los materiales. Los esfuerzos, deformaciones y desplazamientos, resultante de la aplicación de la carga de diseño permiten determinar el período de vida de la estructura mediante el uso de los denominados modelos de daño.

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Los modelos de daño son ecuaciones empíricas-experimentales que relacionan el número de pasadas admisibles del pavimento en función de los esfuerzos y deformaciones calculadas. El procedimiento de diseño es iterativo hasta conseguir optimizar el valor de los esfuerzos y deformaciones a fin de evitar los diferentes tipos de falla que se pueden esperar en la estructura del pavimento. El siguiente esquema permite ilustrar el procedimiento de diseño:

Condiciones Ambientales: Clima y Drenaje Local

Determinación de Parámetros Elásticos: Sub-rasante y Materiales Locales Cálculo de Esfuerzos y Deformaciones. Programa Kenlayer, otros.

Cargas de Tránsito Local

Uso de Modelos de Daño y Predicción del Período de Diseño. Considera materiales y condiciones locales.

Estructura Propuesta

Diseño Iterativo

Fig. 8.1 Procedimiento de Diseño 8.2 Jerarquización del Proyecto De acuerdo con las características de los proyectos viales que se va a tratar, le corresponde un Nivel 2 de sofisticación en la obtención de los parámetros de diseño. En la Tabla 8.1 se presentan los niveles de la guía de diseño y los parámetros de diseño:

Tabla 8.1: Categorización de Parámetros Elásticos de Materiales y Sub-rasante Material Mezclas Asfálticas

Nivel 1 Nivel 2 Módulo Dinámico Módulo Dinámico Medido Estimado

Materiales Estabilizados Materiales Granulares No Estabilizados Sub-rasante

Módulo Medido Módulo Estimado Módulo Resiliente Medido Módulo Resiliente Medido

Módulo Resiliente Estimado Módulo Resiliente Estimado

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Nivel 3 Módulo Dinámico Estimado Módulo Estimado Módulo Resiliente Estimado Módulo Resiliente Estimado

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8.3 MODELAMIENTO ELÁSTICO DE LA CARPETA ASFÁLTICA El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltica el módulo resiliente, Mr resultante del ensayo de tracción indirecta. Para mezclas asfálticas densas en caliente, los valores de Mr varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) considerando una temperatura de 20°C, no indicando, el tipo de asfalto y la frecuencia de ensayo asociado a la velocidad. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002 recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E* determinado de los ensayos de compresión triaxial cíclico. Sin embargo, se propone la ecuación de Witzack, el cual considera: a. El tipo de asfalto (penetración, viscocidad y/o gradación caso de Superpave, asfaltos modificados y envejecidos) b. La granulometría de la mezcla asfáltica (densa, abierta, incompleta, porosa, etc.) c. Las variaciones de temperaturas horarias y estacionarias. d. La velocidad vehicular asociada a la frecuencia de la carga. MÓDULOS DINÁMICOS El ensayo de tracción indirecta permite determinar el Módulo Resiliente de la carpeta asfáltica cuando trabaja a tracción. Diseñar carpetas asfálticas considerando que la parte inferior trabaje a tracción y la parte superior se encuentre a compresión, generan fisuras prematuras que se reflejarán en la superficie. El nuevo criterio para el diseño de pavimentos diseña la estructura de manera que la carpeta asfáltica se encuentre trabajando toda a compresión. Esto se consigue incorporando capas inferiores estabilizadas o tratadas. Desde este punto de vista el Módulo Resiliente no es representativo del comportamiento de la carpeta, proponiéndose el Módulo Dinámico obtenido de ensayos triaxiales cíclicos. El módulo dinámico varía con la temperatura y la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño. Una máquina de ensayo servo hidráulica para ensayos de compresión cíclica se muestra en la foto 8.1. El equipo de la Universidad de Arizona, EE.UU. aplica esfuerzos sinusoidales (ondas continuas) que son medidos en la celda de carga, las deformaciones se miden usando un traductor LVDT. El traductor se asegura usando brackets y tacones sobre el especimen. Se acondicionan barras de acero para mantener el alineamiento.

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(a) Muestra para ensayo triaxial cíclico

(b) Prensa cíclica, Universidad de Arizona, EE.UU.

Foto 8.1: Ensayo Triaxial Cíclico, Universidad de Arizona. Ref. [65] El comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada del material, la deformación máxima se alcanzará en un instante posterior, cuando la carga que se haya aplicado se encuentre en el instante de la descarga. El módulo dinámico E* es la relación entre el esfuerzo y la respuesta deformacional. σ E∗ = o (8.1) ∈o

La caracterización de las mezclas asfálticas convencionales y Superpave (Minaya y Ordóñez, 2003) se realiza a través de la ecuación de predicción del módulo dinámico, E* (Minaya, 2004) resultado de trabajos desarrollado en la Universidad de Maryland, EE.UU. durante 25 años y publicado en 1999. El modelo de predicción del comportamiento mecánico se realiza en función del módulo complejo dinámico, E* para materiales viscoelásticos. El trabajo experimental y su verificación se realizaron sobre una muestra original de 1430 puntos y 149 mezclas y su posterior ajuste y validación se realizó con 1320 puntos y 56 mezclas adicionales:

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log E* = 3.750063 + 0.029232 × p 200 − 0.001767 × (p 200 )2 − 0.002841× p 4 − 0.058097 × Va − 0.802208 ×

Vb eff 3.871977 − 0.0021.p 4 + 0.003958.p 38 − 0.000017.(p 38 )2 + 0.005470.p 34 + (Vb eff + Va ) 1 + e (−0.603313−0.313351. log (f )−0.393532. log (η))

Donde: E* η f Va Vbefect p3/4 p3/8 p4 p200

Módulo dinámico de la mezcla asfáltica, en psi Viscosidad del ligante en 106 poise (a alguna temperatura y grado de envejecimiento) Frecuencia de carga en Hz % de vacíos de aire en la mezcla, por volumen % de asfalto efectivo, por volumen % retenido en el tamiz ¾”, por peso total de agregado (acumulado) % retenido en el tamiz 3/8”, por peso total de agregado (acumulado) % retenido en el tamiz Nº4, por peso total de agregado (acumulado) % que pasa el tamiz Nº200, por peso total de agregado

La ecuación considera un rango de temperaturas de 0 a 130ºF (-18 a 54ºC). La frecuencia está relacionada con la velocidad del vehículo. La Guía recomienda definir la frecuencia en función de la categoría y velocidad vehicular: Tabla 8.2: Recomendaciones de Velocidades y Frecuencias Categoría

Velocidad Superficie de rodadura KPH (espesor= 1-3”) 1era 95 45-95 2da 70 35-70 Vías urbanas 25 10-25 Intersecciones viales 0.8 0.5-1 Ref: Flexible Design AASHTO 2002, Tabla 3.3.1, parte 3 capítulo 3

Aplicando la ecuación de Witczak para una mezcla asfáltica densa convencional que cumpla con las especificaciones de la mezcla de tamaño máximo nominal 3/4” (19 mm), las frecuencias consideradas en el análisis fueron 15, 50 y 70 Hz. correspondiente a 25, 70 y 95 kph y para viscosidad del ligante no envejecido de diferentes penetraciones. Los porcentajes retenidos y pasantes de las mallas son: (P34 : 0%, P38 : 30%, P4 : 50%, P200 : 5%, Vbeff : 15%, Va: 4%). Las figuras 8.1 a 8.3 presentan los valores del Módulo Dinámico correspondiente a mezclas asfálticas de diversas penetraciones utilizadas en el país, en función de la temperatura y la velocidad vehicular. Los valores determinados son para asfaltos PEN 60-70, 85-100 y 120-150, asfaltos usados en zonas de temperatura cálida, intermedia (caso Lima) y de bajas temperaturas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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15 Módulo Dinámico E*(x105) psi

Asfalto PEN 60-70

10

5

0 20

40

60 Velocidad, Km/h

80 20ºC 40ºC

100 30ºc 50ºC

Figura 8.1: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 60-70

25 Módulo Dinámico E*(x105) psi

Asfalto PEN 85-100 20

15

10

5

0 20

40

60 Velocidad, Km/h

80 10ºC 30ºC

100 20ºc 40ºC

Figura 8.2: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 85-100

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30

Módulo Dinámico E*(x105) psi

Asfalto PEN 120-150 25

20

15

10

5

0 20

40

60

80

Velocidad, Km /h

100

0ºC 20ºC

10ºc 30ºC

Figura 8.3: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 120-150 Por ejemplo si se desea calcular el Módulo Dinámico para carpeta asfáltica convencional de TMN 19 mm, para las temperaturas de pavimento y frecuencias mostradas en la tabla se tienen los siguientes módulos: Tabla 8.3: Módulo Dinámico E* en psi Asfalto PEN 120-150 Asfalto PEN 60-70 1 Sugerido en zonas cálidas Sugerido en zonas frías2 velocidad de diseño 70 kph 70 kph frecuencia 50 Hz 50 Hz Temperatura de pavimento 40ºC 5ºC E*, psi 410,000 2´200,000 Tipo de mezclas

A bajas temperaturas la mezcla asfáltica puede ser susceptible a deformaciones permanentes mientras que los valores altos indican susceptibilidad a agrietarse por bajas temperaturas. En el primer caso se debe poner especial cuidado en la elección del ligante y la granulometría de la mezcla, el ligante debe mantener su rigidez a bajas temperaturas y la granulometría del agregado deberá ser uniforme tipo Stone Mastic Asphalt, donde predomine el contacto piedrapiedra. Para el segundo caso la elección del ligante será lo más importante considerando asfaltos que mantengan su rigidez a altas temperaturas.

Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras, EG-2000. Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú.

1

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Para el caso de Lima donde el asfalto empleado puede ser asfalto PEN 85-100, a temperatura de pavimento de 20ºC y velocidad de diseño de 70 kph, frecuencia 50 Hz., el E* será 1´180,000 psi. Una carpeta asfáltica sometida a las condiciones de Lima, correspondiente a un diseño de pavimento convencional, tiene valores altos de rigidez, que lo puede llevar al agrietamiento al concentrar esfuerzos de tracción. 8.4 Subrasante El comportamiento de la sub-rasante es función de la humedad y densidad, asociado a las condiciones ambientales de sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos (Ordóñez y Minaya, 2001). De ahí que en los EE.UU. no se recomienden considerar subrasantes con baja capacidad de soporte sin antes realizar un proceso de estabilización, en toda la profundidad correspondiente a la subrasante o incorporando un elemento de refuerzo. Valores de CBR por debajo de 8-10% son considerados inestables para soportar una estructura de pavimento. Con esta consideración el módulo resiliente, será el parámetro elástico representativo del comportamiento de la subrasante porque siempre estará asociado a suelos con comportamiento estable (sin deformación plástica significativa diferida). También el modelamiento permite considerar la subrasante mediante 02 capas diferentes, la capa superficial compactad y la profunda en estado natural. Al respecto, la influencia de la saturación, S sobre muestras compactadas (con el Contenido Optimo de Humedad) en la variación del valor del módulo resiliente, MR se puede ilustrar en el modelo de Li y Selig para suelos finos:

Figura 8.4: Variación del Módulo Resiliente con la Saturación en Suelos Finos S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Como se observa, el módulo puede incrementar de valor hasta 4 veces por efecto del incremento de la succión (asociado a la pérdida de humedad) o puede disminuir su valor en un 90% cuando alcance la saturación. Comportamiento similares se obtuvieron en el extenso trabajo experimental que se realizó en la UNI sobre la influencia de la saturación en el módulo elástico en suelos arenosos y limoarcillosos (Ordóñez y Minaya, 2001). El trabajo de Drumm y otros, hace extensivo para diferentes tipos de suelos:

Figura 8.5: Efectos de la Saturación PostCompactación sobre el Módulo Resiliente

Santha propone un modelo de predicción del valor del módulo resiliente en función de la humedad, densidad y otros parámetros para suelos granulares y finos a través de la siguiente ecuación: k ⎛ θ ⎞ 2 ⎛ τ oct ⎜ ⎟ MR = k1 × p a × ⎜ ⎟ × ⎜⎜ ⎝ pa ⎠ ⎝ pa

k ⎞ 3 ⎟⎟ ⎠

para suelos granulares: log k1 = 3.479 − 0.07 × MC + 0.24 ×

MC + 3.681× COMP + 0.011× SLT + 0.006 × CLY − MOIST

0.025 × SW − 0.039 × DEN + 0.004 ×

SW 2 DEN 2 + 0.003 × CLY S 40

k 2 = 6.044 − 0.053 × MOIST − 2.076 × COMP + 0.0053 × SATU − 0.0056 × CLY + 0.0088 × SW − 0.0069 × SH − 0.027 × DEN + 0.012 × CBR + 0.003 ×

SW 2 SW + SH − 0.31× CLY CLY

k 3 = 3.752 − 0.068 × MC + 0.309 × MCR − 0.006 × SLT + 0.0053 × CLY + 0.026 × SH − SW 2 SATU 2 0.033 × DEN − 0.0009 × + 0.00004 × − 0.0026 × (CBR × SH) ) CLY SH

para suelos cohesivos:

log k1 = 19.813 − 0.045 × MOIST − 0.131× MC − 9.171× COMP + 0.037 × SLT + 0.015 × LL − 0.016 × PI − 0.021× SW − 0.052 × DEN + 0.00001× (S 40 × SATU)

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k 3 = 10.274 − 0.097 × MOIST − 1.06 × MCR − 3.471× COMP + 0.0088 × S40 − 0.0087 × PI + 0.014 × SH − 0.046 × DEN

Donde: MC SATU COMP S40 CLY SLT SW SH DEN CBR

contenido de humedad (%) porcentaje de saturación (%) porcentaje de compactación (%) porcentaje que pasa malla Nº40 (%) porcentaje de arcilla (%) porcentaje de limo (%) porcentaje de hinchamiento (%) porcentaje de contracción (%) máxima densidad seca (pcf) California Bearing Ratio

La guía de diseño también presentan correlaciones entre propiedades índices de los suelos y el valor de CBR y Módulos Resilientes, MR de materiales no tratados tales como capas de bases, y sub-base granulares y subrasantes que conforman la estructura del pavimento. Las correlaciones fueron desarrolladas considerando la ecuación MR=2555.CBR0.64. Para materiales con IP=0 se utilizó la siguiente correlación: CBR=28.091(D60)0.3581 y para suelos con IP>0 se utilizó la siguiente correlación: CBR =

75 1 + 0.728(w × PI)

donde w= % de finos y PI=Indice de Plasticidad

Figura 8.6: Correlaciones entre el Módulo Resiliente y Propiedades de los Suelos

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8.5 Modelos de Daño En el análisis se considera que las cargas de tráfico genera un daño por fatiga de la carpeta asfáltica que se inicia en la parte inferior de la carpeta asfáltica y que se propaga hacia la superficie (reflejo de fisuras). Esto es, las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla asfáltica (zona donde se generan esfuerzos de tracción) y luego se propaga a la superficie del pavimento. Daño por fatiga significa que el estado de esfuerzos, que genera las cargas, se encuentra muy alejada de los esfuerzos límites o de falla, sin embargo; la repetición de las solicitaciones llega a producir el agotamiento o fatiga del material asfáltico que se traduce en la aparición de fisuras. Ensayos de laboratorio a escala reducida han permitido proponer ecuaciones o modelos de daño que relacionan el número de pasadas de carga admisible en función de las propiedades del material y el valor de los esfuerzos transmitidos. El modelo de daño de agrietamiento por fatiga se expresa como: Nf = f1. εt-f2 . E-f3 Donde Nf, es el número aceptable de repeticiones de carga admisible por agrietamiento por fatiga; εt es la deformación por tracción en la fibra inferior de la capa asfáltica; E es el módulo elástico de la carpeta asfáltica; y f1, f2 y f3 son constantes determinadas en pruebas experimentales. El Instituto del Asfalto propone 0.0796, 3.291, y 0.854 para f1, f2 y f3, respectivamente, en su procedimiento de diseño basado analíticamente; los valores correspondientes usados por la Shell son 0.0685, 5.671, y 2.363. Posteriormente se sugirió que f1 en el criterio del Instituto de Asfalto se reduzca a 0.0636 para las capas de HMA menos de 4 pulg. de espesor. Otro modelo o ecuación de daño complementario se refiere al exceso de deformación elástica atribuido a un comportamiento inestable (muy compresible) de la subrasante: Nd = f4. εz-f5 En la que Nd es el número admisible de repeticiones de carga limitado por el valor de la deformación vertical elástica; εz es la deformación vertical elástica por compresión de la subrasante, f4 y f5 son constantes determinadas de pruebas experimentales. El valor de f4 y f5 se sugiere como 1.365 x 10-9 y 4.477 por el Instituto del Asfalto; 6.15 x 10-7 y 4.0 por la Shell y 1.13 x 10-6 y 3.571 por la Universidad de Nottingham. El número admisible de pasadas resultante de las ecuaciones de daño y el volumen de tránsito esperado del proyecto permiten determinar el período de vida de la estructura del pavimento.

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8.6 ANÁLISIS DEFORMACIONAL La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundación sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento. La deflexión es un parámetro utilizado para verificar la capacidad estructural de un pavimento. La deflexión admisible puede ser calculada con alguna de las siguientes ecuaciones empíricas2: Instituto del Asfalto:

Dadm = 25.64 N −0.2383

CONREVIAL:

Dadm = (1.15 / N )

Criterio de California, CA de 5”:

Dadm = 6.237 N −0.165

0.25

N es el número de ejes equivalentes usado en el diseño. Aplicando las ecuaciones a 0.8x106 ejes equivalentes se tiene: 101, 109 y 66 (1/100 mm) de deformación admisible, respectivamente. La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una estructura típica de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular) los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos así generados producen fisuras que luego se reflejarán en la superficie. La figura 8.7 muestra la distribución de esfuerzos horizontales (σH) y verticales (σV) de pavimentos típicos. El parámetro elástico que modela el comportamiento de la carpeta asfáltica que trabajan a tracción es el Módulo Resiliente obtenido del ensayo de tracción indirecta. Para los materiales granulares y fundación natural, el Módulo Resiliente obtenido de ensayos triaxial cíclico es el parámetro de diseño. Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento están asociadas a las deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento. A continuación se evaluará el comportamiento deformacional de la estructura del pavimento y el aporte de cada capa en la reducción de estas deformaciones. Se empleará el programa elástico multicapas Kenlayer del Dr. Huang de la Universidad de Kentucky.

Chang, C, Torres, R. “Aplicación de Ensayos no destructivos para el Control de Calidad de Pavimentos Flexibles”. Instituto de la Construcción y Gerencia, 2005. 2

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(+)

Carpeta Base granular

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-

( )

σH

σv

Sub base granular

Suelo compactado Fundación

Figura 8.7: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos PRIMER CASO: ESTRUCTURAS TÍPICAS Se modelará una estructura típica conformada por carpeta asfáltica, base y sub base granulares, suelo compactado y fundación. Las condiciones de análisis son las mismas, sólo se variará el espesor de la carpeta asfáltica, ésta será de 2, 4 y 6 pulg. Las dimensiones y parámetros de diseño se muestran en la figura 8.8. La figura 8.9 muestra la variación de los esfuerzos verticales o de compresión en estructuras típicas. El mayor porcentaje de los esfuerzos verticales son asumidos por la carpeta asfáltica y base granular. Al nivel de fundación, para cualquier configuración, llega el mismo nivel de esfuerzos, esto indica que incrementando el espesor de la carpeta asfáltica no se reducen las deformaciones en la fundación.

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Carpeta asfáltica

Variable 20 cm

Base granular Sub base granular

25 cm

Suelo compactado

15 cm

Fundación

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CAPA DE PAVIMENTO CARPETA ASFALTICA BASE GRANULAR, CBR=100% SUB BASE GRANULAR CBR=40% SUELO COMPACTADO CBR=20% FUNDACION CBR=4% TIPO DE EJE RADIO DE CONTACTO PRESION DE CONTACTO

CARACTERÍSTICAS 2, 4 y 6” Mr=450,000 psi ν=0.35 (ref. 2) Mr= 30,000 psi ν=0.35 (ref. 2) Mr= 17,500 psi ν=0.35 (ref. 2) Mr= 12,000 psi ν=0.45 (ref. 2) Mr=6,000 psi ν=0.45 (ref. 2) SIMPLE STANDARD 4.52 PULG 5 kg/cm2

Figura 8.8: Análisis Deformacional de Estructura Típica.

Carpeta 2”

σv

4”

6”

Base granular

Sub base granular

Suelo compactado Fundación

Figura 8.9: Esfuerzos Verticales o de Compresión Estructura Típica La deformación a nivel de fundación es del orden de 3.75% y deflexiones dinámicas de 0.83, 0.65 y 0.54 mm. para carpetas asfálticas de 2, 4 y 6 pulg, respectivamente. Las deflexiones dinámicas y estáticas están en una relación de 1 a 10, esto quiere decir que la deflexión en la superficie es de 8.3, 6.5 y 5.4 mm medidos con viga Benkelman, valores muy superiores a los admisibles para 0.8x106 ejes equivalentes, que está en el orden de 1 mm.. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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La figura 8.10 demuestra que el tercio superior de la carpeta asfáltica está trabajando a compresión mientras que los dos tercios restantes a tracción. En conclusión, incrementar el espesor de la carpeta no reduce las deformaciones por tracción, la mejor alternativa es minimizar las deformaciones plásticas a nivel de fundación mediante la estabilización.

Carpeta

2”

εt

4”

6”

Base

Sub base granular

Suelo compactado

Fundación

Figura 8.10: Deformaciones por Tracción en Estructura Típica Es contraproducente, además, convertir espesores de carpeta asfáltica a equivalentes de espesores de base granular como 1:3. La carpeta asfáltica tiene un módulo por lo menos 15 veces mayor al de la base granular y solo se podrá modificar espesores luego de un análisis deformacional. SEGUNDO CASO: ESTRUCTURA SEMIRIGIDA El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base estabilizada se muestra en la figura 8.11. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada. Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico.

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Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos

Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos

(+)

Carpeta

σH

σv

-

( )

Base Estabilizada

Sub base

Figura 8.11: Distribución de Esfuerzos en Pavimentos

Fundación

Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo, obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos. Con la finalidad de demostrar la importancia de considerar bases y sub-bases tratadas y/o estabilizadas en pavimentos sobre terrenos de baja capacidad de soporte, como es el caso del diseño considerado en la Vía Inter-Oceánica Sur – Tramo Inambari-Iñapari, se presenta el análisis deformacional, considerando la colocación de una carpeta asfáltica, figura 8.12.

Carpeta asfáltica

1“

Base: Suelo+cemento

20 cm

CAPA DE PAVIMENTO CARPETA ASFALTICA BASE:SUELO+CEMENTO

Sub base : suelo+cal

20 cm

SUB BASE:SUELO+CAL ARCILLA+ARENA

arcilla+arena Fundación natural de arcilla

65 cm

FUNDACION CBR=3% TIPO DE EJE RADIO DE CONTACTO PRESION DE CONTACTO

CARACTERÍSTICAS E*=300,000 psi ν=0.35 Mr= 700,000 psi4 ν=0.15 Mr= 60,000 psi ν=0.20 Mr= 24,000 psi5 ν=0.25 Mr=4,500 psi ν=0.45 (ref. 2) SIMPLE STANDARD 4.52 PULG 5 kg/cm2

Ref: Flexible Design AASHTO 2002, 4Tabla 2.2.43. 5Tabla 2.2.51

Figura 8.12: Análisis Deformacional de Estructuras Semi-Rígidas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos

Para los parámetros de diseño mostrado y haciendo uso del programa Kenlayer se ha obtenido la siguiente distribución de esfuerzos, figura 8.13.

Carpeta asfáltica

Base:

Suelo+cemento

σv

Sub base : suelo+cal

σH

Deflexión =3mm arcilla+arena

εv(sub-rasante) = 0.01% εH (+)=0.006% σv(fundación)=0.04kg/cm2

Fundación natural de arcilla

Figura 8.13:Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Semi-Rígidos Luego de algunos años la fundación natural habrá perdido la mayor parte de sus deformaciones plásticas e incrementado su módulo, es en ese momento en que se podrá volver a hacer una nueva evaluación y considerar un trabajo de recapeo que permita recuperar la calidad de la superficie de rodadura. Definitivamente el diseño de carreteras sobre fundación arcillosa o limosa es por etapas.

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